聚丙烯纖維混凝土襯砌堤壩應用數值模擬

鄭 慧 慧

(商丘師范學院建筑工程學院，河南 商丘 476000)

素混凝土襯砌破壞一直是灌區建筑物健康發展的難題，由于素混凝土襯砌斷面厚度較大、造價較高、襯砌自身剛性與背后堤坡之間存在較大間隙，在外界荷載的作用下常常發生滑塌、斷裂等形式的破壞，從而嚴重威脅到灌區工程的安全運行。隨著科技的發展新材料、新工藝的不斷出現，聚丙烯纖維混凝土以其卓越的性價比，豐富的原料來源，被廣泛地應用。在普通混凝土中摻入一定量的聚丙烯纖維后，不僅可以提高混凝土的抗剪、抗沖等力學性能，且其耐久性也顯著提高。

本文從灌區堤壩襯砌破壞的機理出發，針對聚丙烯纖維混凝土襯砌堤壩結構特性，在前人研究的基礎上，利用通用有限元軟件ADINA對相同邊界條件下聚丙烯纖維混凝土與素混凝土襯砌堤壩的應力σ～應變ε關系進行了系統的研究，并進行對比分析，為以后工程的實際應用提供科學理論依據。

1 有限元模型建立

1.1 模型原型

本文以某灌區填方堤壩為例，渠道填方材料為粉質黏土，填方頂寬度5.0 m，渠道8.0 m，內、外堤坡坡比1∶2.0。素混凝土襯砌采用C25素混凝土結構；聚丙烯纖維混凝土采用15%聚丙烯纖維與C20素混凝土進行混合形成聚丙烯纖維混凝土復合材料，堤基為巖基。其中不同襯砌材料屬性表以及模型原型如表1、表2和圖1所示。

表1 聚丙烯纖維材料特性

表2 混凝土材料特性

圖1 不同襯砌結構有限元模型(單位：m)

為了與實際工況更加相符，在堤身與堤體基礎以及襯砌與堤身之間設置接觸單元(2D-contact element)；堤坡外受水壓力荷載作用，荷載大小為0.08 MPa，呈三角形分布，方向與外堤坡垂直，見圖2。

圖2 接觸單元模型及荷載模型

1.2 土體本構模型選取

土體采用Mohr-coulomb彈塑性本構模型，假設土體某平面上剪應力達到某一特定值時，就進入屈服。其準則的方程形式一般為：

τn=f(c,φ,σn)

(1)

式中：c為土體黏聚力；Φ為土體內摩擦角；σn為屈服面上的正應力。

其中M-C條件為[6]：

τn=c+σntanφ

(2)

各堤身部位土體本構參數如表3所示。

表3 堤壩單元體本構參數表

2 數值模擬結果分析

2.1 普通混凝土襯砌與聚丙烯纖維混凝土襯砌水平向位移對比分析

圖3和圖4分別給出了堤體與襯砌體在相同荷載下，水平向變形的位移云圖，從圖3和圖4可以看出，隨著水深的增加，堤體的水平向位移呈現先增加后減小的趨勢。圖5為素混凝土襯砌與聚丙烯纖維混凝土襯砌數據對比分析，由于聚丙烯纖維混凝土自身具有一定的柔性，其水平向位移相對于普通混凝土襯砌有一定減小，但是由于聚丙烯纖維混凝土襯砌的彈性模量與素混凝土襯砌彈性模量相差不大，因此其水平向位移變形相差較小，素混凝土襯砌模型整體水平向最大位移ymax=-0.019 77 m，聚丙烯混凝土襯砌模型整體水平向最大位移ymax=-0.017 68 m，聚丙烯纖維混凝土襯砌相對于素混凝土襯砌來說，模型整體水平向位移減小0.002 09 m；而素混凝土襯砌體在荷載作用下水平向最大位移y>max=-0.013 8 m，聚丙烯纖維混凝土襯砌在荷載作用下下水平向最大位移y>max=-0.012 9 m，位移減小0.000 9 m，方向水平向右，由于堤身的限制作用，最大水平位移并沒有發生在襯砌表面而是發生在堤體內，這與實際相符。

圖3 不同襯砌模型整體水平向變形云圖

圖4 不同襯砌體水平向變形云圖

圖5 不同襯砌方式水平向變形數據對比分析 注：WPZ為普通混凝土襯砌模型整體；WXZ為聚丙烯纖維混凝土襯砌模型整體；CP為普通混凝土襯砌；XP為聚丙烯纖維混凝土襯砌，下圖同。

圖6 不同襯砌模型整體豎直向變形云圖

2.2 普通混凝土襯砌與聚丙烯纖維混凝土襯砌豎直向位移對比分析

圖6和圖7分別為堤體與襯砌體在相同荷載下，豎直向變形的位移云圖，從圖6和圖7可以看出，隨著水深的增加，兩種襯砌形式下，其豎向位移分布趨勢相同。圖8為素混凝土襯砌與聚丙烯纖維混凝土襯砌豎向數據對比分析，同樣可以看出由于兩種襯砌方式下，由于彈性模量相差不大，其豎直向位移差距不大，素混凝土襯砌豎向最大位移zmax=-0.054 4 m，聚丙烯混凝土zmax=-0.048 65，僅僅相差0.005 75 m，豎直向位移減小較小，但是其模型最大位移與襯砌最大位移發生在同一位置，充分證明了再水荷載的作用下，同一種襯砌形式下模型整體與襯砌體最大位移位置與大小相同，均發生在距離襯砌底部1/3處，這與實際是相符合的。

圖7 不同襯砌體豎直向變形云圖

圖8 不同襯砌體豎直向變形數據對比分析

2.3 普通混凝土襯砌與聚丙烯纖維混凝土襯砌有效應力對比分析

圖9和圖10分別為堤體與襯砌體在相同荷載下，不同襯砌體有效應力變形云圖，從圖9和圖10可以看出，位移最大處亦是其有效應力最大處，有效應力呈現先增大，后減小的趨勢，其中最大位置均發生在距離襯砌頂部、底部1/3處，這與實際是相符合的。圖11為素混凝土襯砌與聚丙烯纖維混凝土襯砌有效應力對比分析，由于混凝土內摻入聚丙烯纖維后有效地改善了混凝土的力學性能，在混凝土內部構成了一種均勻亂向的支撐體系。可以抑制混凝土的開裂過程，故聚丙烯纖維混凝土的力學性質顯著提高，從數據中可以看出普通混凝土的有效應力σe=23.12 Pa，而加入聚丙烯纖維后其有效應力σe=11.31 Pa，聚丙烯纖維混凝土相比普通混凝土有效應力減少了48.92%，效果顯著。

圖9 不同襯砌模型整體有效應力云圖

圖10 不同襯砌體有效應力變形云圖

圖11 不同襯砌體有效應力數據對比分析

2.4 普通混凝土襯砌與聚丙烯纖維混凝土襯砌抗剪切性能對比分析

圖12和圖13分別為堤體與襯砌體在相同荷載下，不同襯砌剪應力變形云圖，從圖12和圖13可以看出，兩種襯砌形式下，其剪應力曲線形狀基本相同，與有效應力趨勢變化相同，均呈現出先增加，后減小的趨勢。圖14為素混凝土襯砌與聚丙烯纖維混凝土襯砌剪應力對比分析，由于纖維與水泥基料極強的結合力，纖維迅速與混凝土均勻混合，形成一種三維不定向的支撐體系，當纖維混凝土承受外部剪切作用時，聚丙烯纖維混凝土內部分部的纖維起到吸收能量和加強筋的作用，故聚丙烯纖維混凝土的抗剪切力學性能顯著提高，從數據中可以看普通混凝土的剪切應力σs=12.60 Pa，而加入聚丙烯纖維后其剪切應力σs=6.174 Pa。

圖12 不同襯砌模型整體剪應力云圖

圖13 不同襯砌體剪應力云圖

圖14 不同襯砌剪應力數據對比分析

2.5 經濟效益對比分析

對于相同體積的素混凝土襯砌堤壩與聚丙烯纖維混凝土襯砌堤壩建造成本而言，由于摻入了單位體積價格比素混凝土材料價格因而可以適當的建設素混凝土襯砌的量。若假定普通素混凝土襯砌每平方米的造價為A,則同樣厚度的聚丙烯纖維混凝土襯砌造價A1為：

A1=A+V1D

(3)

式中：V1為聚丙烯纖維的摻入量；D為聚丙烯纖維的單價，元。

由于聚丙烯纖維本身優越的力學性能，其施工在襯砌應用中施工工藝并沒有改變，只是增加了纖維的成本。根據市場調查，每1 000 kg的聚丙烯纖維的價格為8～10 萬元，按照0.6 kg/m3的摻量，襯砌厚度按照20 cm計算，每平方米造價為12.0元。但是其耐久性提高及素混凝土的基體強度可適當降低，從而大大減少了其造價以及工程后期的維護費用，是一種簡單可行的灌區堤壩襯砌方法。

3 結 語

本文對普通混凝土與聚丙烯纖維混凝土襯砌灌區堤壩在相同荷載作用下，應力與應變特性進行了數值模擬分析，通過數值模擬結果可以得到以下結論。

(1)與普通混凝土相比，聚丙烯纖維混凝土的抗剪和抗壓性能顯著提高，這是因為聚丙烯纖維加入混凝土后，纖維與水泥基料均勻混合在其之間形成極強的結合力，形成是三維不定向支撐，從而有效地吸收了外部能量起到了加強筋的作用。

(2)由于聚丙烯纖維的優越特性，施工操作簡單，其不僅降低了工程造價，而且提高了整體工程耐久性，降低了從此后期維護費用，在灌區工程中存在較大的應用前景。